探讨如何提高桥梁设计的安全性及耐久性
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摘要：本文分析了我国桥梁设计在安全性和耐久性上所存在的不足之处，探究影响桥梁安全性和耐久性的各方面原因，并提出了在设计阶段加强桥梁安全性和耐久性的具体措施，对桥梁设计工作有一定的指导意义。
关键词：桥梁工程；耐久性；安全性；技术措施
中图分类号：K928.78 文献标识码：A 文章编号：
引言：桥梁的安全性和耐久性是整个桥梁工程项目的重点工作，直接影响着桥梁的正常使用功能和人民生命财产的安全。近年来，我国接连发生桥梁倒塌事故，造成了严重的人员伤亡和经济损失，桥梁设计的安全性和耐久性也随之成为媒体和公众广泛关注和讨论的热门话题。目前，我国现行的相关标准、规范对桥梁设计的原则要求是“安全、适用、经济、美观和有利环保”，基本上涵盖了人们所重视和关心的重要问题。然而，纵观这几年桥梁倒塌事故的原因，大多是因为桥梁设计的欠合理、耐久设计没有明确说明、数据计算错误、施工偷工减料等原因。因此，设计人员在进行桥梁设计时必须要注重安全性和耐久性的设计，在设计上确保桥梁使用的安全、合理，满足桥梁的设计使用年限，推动我国桥梁建设事业的健康良性发展。文章就桥梁设计中安全性和耐久性的影响因素进行分析，研究和探讨、解决和提高桥梁安全性和耐久性的设计措施，以便能更好的确保桥梁建设使用的安全、合理，满足桥梁的设计使用年限。
一、影响桥梁安全性和耐久性的因素
影响桥梁工程安全性和耐久性的因素主要包括下面两个方面。
1、缺乏完善的设计理论和结构体系
在桥梁工程的设计过程中，缺乏相关的安全、耐久设计理念，对结构构造的设计体系不完善，造成了桥梁安全性、耐久性较差。结构设计首先是在满足使用功能的前提下，选择经济合理的桥梁结构方案，其次是对结构分析并进行构造设计，同时要依据有关规定的可靠性指标和安全系数进行设计，以确保结构的安全、可靠。然而，有些设计人员在设计中生搬硬套比较严重，设计与施工相脱节，造成设计环节频繁出现人为错误，降低了桥梁的安全性和耐久性。例如，有的设计受力路线或者计算图式不明确，造成局部应力过大；有的设计未能充分考虑施工工况，导致施工过程出现问题；有的结构设计的延展性和整体性不足，冗余性小；有的设计的混凝土强度偏低、钢筋的选择过细，保护层厚度过薄等等都降低了结构的安全性，影响到桥梁工程的耐久性。
2、施工、养护、管理的水平偏低
桥梁出现破坏与倒塌事故，一个共同的原因就是施工质量没有达到设计和规范的要求，较为典型的问题主要有偷工减料、以次充好、施工工艺不合格等。其次，桥梁结构建成后的养护工作不到位，导致混凝土的老化加快，钢筋的锈蚀等。再者，桥梁结构产权部门的管理不善和公众安全意识的淡薄，更是对桥梁工程的安全性造成致命的影响，使桥梁工程远远达不到预期的使用寿命。例如，船舶撞击桥梁和汽车超载问题等。
二、设计提高桥梁安全性和耐久性的措施
针对桥梁工程中出现的安全性和耐久性差的问题，在设计时应采取以下几个方面的措施来提高和改善桥梁使用的安全，延长其使用寿命。
1、依据实际情况，设计合理的结构方案
符合使用要求和施工条件的结构方案，能够有效的提高桥梁的使用安全性和耐久性。因此，在进行桥梁结构的设计时，要根据施工建设的实地环境，结合工程的使用要求，设计选择合理的结构方案。通常情况下，一般桥梁首选造价经济、施工简便、预制配件标准化的标准跨径的预制拼装结构，条件受限时可选择现浇结构和大跨径常规结构。不宜过分追求景观、地标建筑、长官意愿而采用特殊结构，增加工程造价且存在一定的安全隐患。
2、设计选用材料时要本着科学、合理的原则
目前，国内的桥梁大多是钢筋混凝土结构，因此钢筋混凝土的合理使用和施工质量直接关系到桥梁结构工程的安全性、适用性和耐久性。混凝土材料的配置构成是决定混凝土耐久性的重要因素，其水泥砂浆的强度、水灰配置比例等都对它的安全性、耐久性有着较大的影响。因此，设计人员在进行设计时，必须严格按照有关规范和标准的要求来设计和选择施工材料和匹配比例，适当增加钢筋混凝结构层上保护层厚度，控制伸缩缝的设置和宽度，科学合理的选择实际需求的建筑材料，使桥梁工程既能达到使用安全和期限的标准要求，又能提高它的经济效益。
3、加强对桥梁疲劳损伤问题的设计
桥梁结构所承受的车辆荷载和风荷载都是动荷载，会在结构内产生循环变化的应力，不但会引起结构的振动，还会引起结构的累积疲劳损伤。由于桥梁所采用的材料并非是均匀和连续的，实际上存在许多微小的缺陷，在循环荷载作用下，这些微缺陷会逐渐发展、合并形成损伤，并逐步在材料中形成宏观裂纹。如果宏观裂纹不得到有效控制，极有可能会引起材料、结构的脆性断裂。早期疲劳损伤往往不易被检测到，但其带来的后果往往是灾难性的。疲劳损伤过去一直被认为是钢桥设计中的核心问题，由钢结构疲劳引起的钢材开裂案例较多，亦有不少因疲劳断裂引起桥梁垮塌的例子。近20年来，疲劳损伤的研究已进入混凝土结构，但对于使用期受腐蚀的钢筋混凝土构件的动态性能和疲劳性能的研究还需加强。对疲劳损伤的研究不仅仅指对整个结构而言，事实上桥梁结构常常由于某些关键部位的局部疲劳失效而导致整个结构的失效，例如斜拉桥拉索锚固端的疲劳损害。
4、对桥梁全寿命进行风险评估
桥梁工程的面临的风险主要有如下几个方面：第一，可行性研究阶段将面临着投资成本风险。第二，设计阶段是整个建设过程中技术含量最高，难度最大，最为关键的环节，设计方法，设计理论的选取将直接关系到大桥的建造和使用的安全和耐久性。对一些大跨径桥梁，要注意根据一般工程经验建立的桥梁设计规范是否仍然适用，是值得研究的问题。我们认为有必要对设计阶段采用和参考的各种设计规范的水平和可用程度进行评价，对一些重要的设计参数进行风险评价。第三，施工阶段将面临更多的不可确定因素，将是风险分析和研究的重点之一，从施工方法方面，将可能采用的施工工艺和流程，对施工中可能遇到的技术风险进行分析和研究，也可以对施工中频繁出现的人为错误规律和对策进行研究。第四，桥梁运营阶段将面临着地震、台风等自然灾害造成的风险，还存在着超载、交通事故等人为风险。为了减少这些风险，我们在设计施工阶段就要正确评价这些风险，认识到这些风险和风险可能产生的后果以后，业主可根据自己的接受的能力来选择能够承受的风险和投资水平，从而确定合适的设计标准要求和施工技术。不要等灾害事故发生以后，才意识到风险的严重度后果。
故对桥梁全寿命进行风险评估是新设计理念中的关键技术，在设计施工阶段的风险评估，就应该充分考虑桥梁在整个生命周期内的风险，认识到桥梁在其生命过程的每时每刻中都面临着风险，尤其对于一些大跨度的桥梁，无论是设计，施工，还是运营、维护，必须对桥梁整个生命周期中的各种不确定因素进行全面的考虑和权衡，对于影响桥梁正常使用的各种损失和破坏有充分的准备，即需要对桥梁整个生命周期内的各种风险进行正确的评价。
5、树立正确的桥梁工程设计理念
随着时代经济的高速发展，人类所建造的各种大型工程结构物，规模巨大，结构复杂，功能众多。国际上称之为“超级工程”。这些工程的特点是：投资巨大，技术复杂，环境影响严重，袭击破坏机率增大（风、浪、地震海啸、船撞、破坏等等）和维修、养护、加固难度大。因而，过去只限于设计、施工质量的单一层面上去寻求结构的安全性就不够了。从上世纪七十年代后，国内外专家在分析研究认真总结经验教训的基础上，除强调结构设计和建造时期的安全性、耐久性、整体牢固性的要求外，逐步讨论了结构在使用期间的检测、维修、加固的新技术，对不同工程结构物的灾害和可接受的危险水平和评估进行了深入研究，提出了耐久性设计的概念。结构耐久性设计所要解决的问题也就是经济、合理的使用年限问题，即结构寿命期问题。为解决这一问题，在设计和建造阶段就要挑战传统设计理念：对设计工程师要求对结构设计时应使结构具有六大特性，即可检性，可修性，可换性，可强性，可控性及可持续性。工程师必须清醒承认整体结构的寿命和各部件的寿命是不等的，如橡胶支座寿命不超过20年，拉索的寿命仅10～40年，拉索的护套寿命不超过20年，钢结构的油漆保护最优为20年等等。只有对这些自身寿命期低于结构设计寿命期的部件必需要在构造上保证可查、可修、可换、可加强，对结构在外因变化剧变情况下，结构的变形要在构造上“可控”，才能够在运营阶段对桥梁进行维修、加固等措施，从而保证结构的耐久性。6、重视应用防腐材料
环顾世界各地的桥梁，由于普通钢筋混凝土结构是一种必然地带裂缝工作的结构，随着服役时间的推进，裂缝自然出现了，如此桥面水容易渗入其中，使得负弯矩处长期遭受浸蚀，此处的钢筋锈蚀问题就不能不重视。此外，英、美等西方国家在调查还发现了锚头区出现了钢丝锈蚀的问题，有些甚至因此而导致了桥梁倒塌的事故，这个问题也应该引起我们足够的重视，所以设计中张拉结束后，应该立即用环氧树脂砂浆封堵锚头，如此以来能够有效地防锈。
7、加强桥面铺装层的防水设计
在桥梁的耐久性问题上还有一个问题应格外重视，那就是桥面渗水的排除和防渗漏问题。大量工程实践表明，在桥面铺装防水层能够有效保护桥面，因此精心设计与施工。在桥面铺装层材料的选择上，混凝土应选用密实性较好的C30以上的等级，设计上，混凝土铺装层内应设置钢筋网，起到防止混凝土开裂的作用。采用复合纤维混凝土和在混凝土中掺入水泥基渗透结晶材料(如赛柏斯)，都能收到较好的防水效果。
参考文献:
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